Ce croquis illustre un arbre généalogique d'exoplanètes. Les planètes sont nées de disques tourbillonnants de gaz et de poussière appelés disques protoplanétaires. Les disques donnent naissance à des planètes géantes comme Jupiter ainsi qu'à des planètes plus petites pour la plupart entre les tailles de la Terre et de Neptune. Les chercheurs utilisant les données de l'observatoire W. M. Keck et de la mission Kepler de la NASA ont découvert que les planètes plus petites peuvent être clairement divisées en deux groupes de taille :les planètes rocheuses semblables à la Terre et les super-Terres, et les mini-Neptunes gazeux. Crédit :NASA/Kepler/Caltech (T. Pyle)
Depuis le milieu des années 90, quand la première planète autour d'une autre étoile semblable au soleil a été découverte, les astronomes ont amassé ce qui est maintenant une grande collection d'exoplanètes - près de 3, 500 ont été confirmés à ce jour. Dans une nouvelle étude dirigée par Caltech, les chercheurs ont classé ces planètes à peu près de la même manière que les biologistes identifient de nouvelles espèces animales et ont appris que la majorité des exoplanètes trouvées à ce jour se répartissent en deux groupes de taille distincts :les planètes rocheuses semblables à la Terre et les plus grandes mini-Neptunes. L'équipe a utilisé les données de la mission Kepler de la NASA et de l'observatoire W. M. Keck.
"C'est une nouvelle division majeure dans l'arbre généalogique des planètes, analogue à la découverte que les mammifères et les lézards sont des branches distinctes sur l'arbre de vie, " dit Andrew Howard, professeur d'astronomie à Caltech et chercheur principal de la nouvelle recherche. L'auteur principal de la nouvelle étude, à publier dans Le journal astronomique , est Benjamin J. (B. J.) Fulton, un étudiant diplômé du groupe de Howard qui partage son temps entre Caltech et l'Institut d'astronomie de l'Université d'Hawaï.
En substance, leurs recherches montrent que notre galaxie a une forte préférence pour deux types de planètes :les planètes rocheuses jusqu'à 1,75 fois la taille de la Terre, et des mondes mini-Neptune enveloppés de gaz, qui sont de 2 à 3,5 fois la taille de la Terre (ou un peu plus petit que Neptune). Notre galaxie fabrique rarement des planètes dont la taille se situe entre ces deux groupes.
"Les astronomes aiment mettre les choses dans des seaux, " dit Fulton. " Dans ce cas, nous avons trouvé deux seaux très distincts pour la majorité des planètes Kepler."
Depuis le lancement de la mission Kepler en 2009, il en a identifié et confirmé plus de 2, 300 exoplanètes. Kepler est spécialisé dans la recherche de planètes proches de leurs étoiles, donc la majorité de ces planètes orbitent plus près que Mercure, qui fait le tour du soleil à environ un tiers de la distance Terre-Soleil. La plupart de ces planètes proches se sont avérées avoir à peu près la taille de la Terre et de Neptune, qui est environ 4 fois la taille de la Terre. Mais, jusqu'à maintenant, les planètes se sont avérées avoir une variété de tailles couvrant cette gamme et n'étaient pas connues pour tomber dans deux groupes de taille.
« Dans le système solaire, il n'y a pas de planètes dont la taille se situe entre la Terre et Neptune, " dit Erik Petigura, co-auteur de l'étude et boursier postdoctoral Hubble à Caltech. "L'une des grandes surprises de Kepler est que presque toutes les étoiles ont au moins une planète plus grande que la Terre mais plus petite que Neptune. Nous aimerions vraiment savoir à quoi ressemblent ces planètes mystérieuses et pourquoi nous ne les avons pas chez nous. système solaire."
Kepler trouve des planètes en recherchant des creux révélateurs dans la lumière des étoiles lorsqu'elles passent devant leurs étoiles. La taille du pendage est corrélée à la taille de la planète. Mais pour connaître précisément la taille des planètes, les tailles des étoiles doivent être mesurées.
L'équipe Caltech, avec des collègues de plusieurs institutions, y compris UC Berkeley, l'Université d'Hawaï, Université de Harvard, Université de Princeton, et l'Université de Montréal—ont examiné de plus près la taille des planètes Kepler avec l'aide de l'Observatoire Keck. Ils ont passé des années à obtenir des données spectrales sur les étoiles hébergeant 2, 000 planètes de Kepler. Les données spectrales leur ont permis d'obtenir des mesures précises des tailles des étoiles de Kepler; ces mesures, à son tour, a permis aux chercheurs de déterminer des tailles plus précises pour les planètes en orbite autour de ces étoiles.
Crédit :NASA/Kepler/Caltech (T. Pyle)
"Avant, trier les planètes par taille, c'était comme essayer de trier des grains de sable à l'œil nu, " dit Fulton. " Obtenir les spectres de Keck, c'est comme sortir et saisir une loupe. Nous pouvions voir des détails que nous ne pouvions pas voir auparavant."
Avec les nouvelles données de Keck, les chercheurs ont pu mesurer les tailles des 2, 000 planètes avec 4 fois plus de précision que ce qui avait été réalisé auparavant. Lorsqu'ils ont examiné la distribution de la taille des planètes, ils ont trouvé une surprise :un écart frappant entre les groupes de Terres rocheuses et les mini-Neptunes. Bien que quelques planètes tombent dans le vide, la majorité non.
La cause de l'écart n'est pas claire, mais les scientifiques ont proposé deux explications possibles. Le premier est basé sur l'idée que la nature aime faire beaucoup de planètes à peu près de la taille de la Terre. Certaines de ces planètes, pour des raisons qui ne sont pas entièrement comprises, finissent par acquérir suffisamment de gaz pour "sauter le fossé" et devenir des mini-Neptunes gazeux.
"Un peu d'hydrogène et d'hélium gazeux va très loin. Alors, si une planète acquiert seulement 1% d'hydrogène et d'hélium en masse, ça suffit pour sauter le pas, " dit Howard. " Ces planètes sont comme des rochers entourés de gros ballons de gaz. L'hydrogène et l'hélium contenus dans le ballon ne contribuent pas vraiment à la masse du système dans son ensemble, mais il contribue au volume d'une manière énorme, rendant les planètes beaucoup plus grandes en taille."
La deuxième raison possible pour laquelle les planètes ne se posent pas dans l'espace est liée à la perte de gaz des planètes. Si une planète acquiert juste un peu de gaz - la bonne quantité pour le placer dans l'espace - ce gaz peut être brûlé lorsqu'il est exposé au rayonnement de l'étoile hôte.
"Une planète devrait avoir de la chance pour atterrir dans la brèche, et puis si c'est le cas, il n'y resterait probablement pas, " dit Howard. " Il est peu probable qu'une planète ait juste la bonne quantité de gaz pour atterrir dans l'espace. Et ces planètes qui ont suffisamment de gaz peuvent voir leur atmosphère mince s'envoler. Les deux scénarios creusent probablement l'écart dans la taille des planètes que nous observons."
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'étudier le contenu en éléments lourds de ces planètes pour en savoir plus sur leur composition. "Nous vivons dans un âge d'or de l'astronomie planétaire parce que nous trouvons des milliers de planètes autour d'autres étoiles, " dit Petigura. " Nous travaillons actuellement pour comprendre de quoi sont faites ces mini-Neptunes, ce qui devrait aider à expliquer pourquoi ces planètes se forment si facilement autour d'autres étoiles et pourquoi elles ne se sont pas formées autour du soleil."
L'étude, intitulé "The California-Kepler Survey. III. A Gap in the Radius of Distribution of Small Planets, " a été financé par la NASA et la National Science Foundation.
